本篇是写在SVM之前的关于优化问题的一点知识,在SVM中会用到。考虑到SVM之复杂,将其中优化方面基础知识提出,单作此篇。所以,本文也不会涉及优化问题的许多深层问题,只是个人知识范围内所了解的SVM中涉及到的优化问题基础。
在优化问题中,凸优化问题由于具有优良的性质(局部最优解即是全局最优解),受到广泛研究。
对于一个含约束的优化问题:
其中, f(x)
为一个凸函数,变量 x 的可行域 C是一个凸集,那么这个优化问题称为一个凸优化问题。
将上面的约束条件的形式更加明确一点,一个凸优化问题可以写成:
其中, f(x)
当然仍然为一个凸函数,但对约束条件有一定要求: gi(x) 是凸函数; hi(x)为仿射函数。这样的要求当然是为了保证可行域是一个凸集。
不等式约束中 gi(x)
为凸函数,而凸函数的水平截集 {x|gi(x)≤α}是一个凸集(凸函数的性质),这就使得不等式约束保证了可行域为凸集;
对于等式约束 hi(x)=0
可以写成:
要使得满足条件的 x
组成的集合为凸集,就要求 hi(x) 既是一个凸函数,又是一个凹函数,这样 hi(x)便只能是仿射函数了。
以上便是凸优化问题的一般形式。常见的线性规划、二次规划、二次约束二次规划等优化问题都是凸优化问题。
抛开凸优化问题,回到一般的优化问题。
一般的优化问题可以写成以下形式:
当然,这里对 f(x)
、 gi(x) 、 hi(x)都是没有要求的。
根据拉格朗日方法,对应的拉格朗日函数为:
L(x,α,β)=f(x)+∑iαigi(x)+∑iβihi(x)
其中 α
、 β 为拉格朗日乘数(都是向量,其长度分别对应于不等式约束和等式约束的个数),且 αi≥0 、 β任意。
定义函数:
容易发现:
如果原来的约束条件都满足那么 L(x,α,β)=f(x)+∑iαigi(x)+∑iβihi(x)
,最后一项为零,第二项要取得最大值,由于 gi(x)≤0 ,所以只能取 α=0⃗ ,使其取得最大值0,这样
如果违背了原来的约束条件,比如存在某一个约束 gi(x)>0
,那么可以取 αi 任意大,这样 θP(x)=+∞ 。违反等式约束 hi(x)=0的情况是类似的。
所以可以认为 θP(x)
是对原理优化问题中的约束条件进行了吸收,是原来的约束优化问题变为无约束优化问题(相对于原来变量 x无约束了),即原来的优化问题可以写成:
minxθP(x)=minxmaxα,β:αi≥0L(x,α,β)(1)
现在,称(1)为原问题,这和最初的有约束问题是等价的。
将(1)中min和max交换顺序得到对偶问题:
maxα,β:αi≥0θD(α,β)=maxα,β:αi≥0minxL(x,α,β)(2)
其中
记 p∗
为原问题的最优解,对应最优解的最优变量取值为 x∗ ,则 p∗=f(x∗);
记 d∗
为对偶问题的最优解,对应最优解的最优变量取值为 α∗ 、 β∗ ,则 d∗=θD(α∗,β∗)。
下面来说明 d∗≤p∗
。
对于任意 α,β
( α≥0):
第一个不等号成立是显然的,这是由 minxL(x,α,β)
的定义直接得到的;第二个不等号成立是因为 x∗ 是一个可行解,所以约束条件 gi(x)≤0 和 hi(x)=0 都满足,所以 ∑iαigi(x∗)≤0 、 ∑iβihi(x∗)=0。
由于以上推导过程中 α
、 β 的任意性,所以 d∗=θD(α∗,β∗)≤p∗,所以求解对偶问题是在最大化原问题最优解的下界。
通常,对偶问题相对于原问题有比较好的形式(有看到“无论原问题形式如何,对偶问题都是一个凸优化问题”的说法,但没见过证明。),这样,当原问题不好求解时,可以转而求解对偶问题。问题是一般情况下有 d∗≤p∗
,所以求解对偶问题只能得到原问题解的下界,不能保证 d∗=p∗。
当原问题满足一些条件时,可以保证 d∗=p∗
。
Slater条件:存在 x
,使得不等式约束 gi(x)≤0 严格成立,即 gi(x)<0。
当原问题为一凸优化问题,且满足Slater条件时,有 d∗=p∗
,这样就原问题和对偶问题的解一致,求解对偶问题即可。显然,Slater是凸优化问题与其对偶问题等价的一个充分条件。
KKT条件是原问题与对偶问题等价的必要条件。考虑一般优化问题(不一定是凸优化),如果有 d∗=p∗
,则:
由于 d∗=p∗
,所以上面推导过程中所以的不等号“ ≤ ”应该取到等号。第一个等号得到 minxL(x,α∗,β∗)=L(x∗,α∗,β∗) ,这说明 x∗ 是 L(x,α∗,β∗) 的一个极值点,所以 L(x,α∗,β∗) 在 x∗ 处的偏导为零, ∂L(x,α∗,β∗)∂x|x∗=0 ;第二个等号得到 f(x∗)+∑iαi∗gi(x∗)+∑iβi∗hi(x∗)=f(x∗) ,所以 ∑iβi∗hi(x∗)=0 、 ∑iαi∗gi(x∗)=0 。 ∑iβi∗hi(x∗)=0 是显然的,因为根据约束条件本来就有 hi(x∗)=0 ,重点是原本的 ∑iαi∗gi(x∗)≤0现在取到了等号。
综合以上两点,在加上原来的约束,可以得到KKT条件:
KKT条件是 d∗=p∗
的必要条件,给出了当原问题和对偶问题等价时对应最优值点所满足的性质。
尽管KKT条件是 d∗=p∗
的必要条件,但当原问题是凸优化问题时,它就升级为充要条件,也就是只要找到 x∗,α∗,β∗ 满足以上五个条件,那么原问题就和对偶问题就有相同的解,分别在 x∗ 和 (α∗,β∗)处取得。
另外,根据KKT条件中的 ∑iαi∗gi(x∗)=0
可以得到, gi(x∗)<0⇒αi∗=0 ,反过来说,只有 gi(x∗)=0 , αi∗ 才有可能不为0,这是SVM中用到的一个重要性质。